| 研究課題/領域番号 |
16K04956
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
浜田 雅之 東京大学, 物性研究所, 技術専門職員 (00396920)
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| 研究分担者 |
長谷川 幸雄 東京大学, 物性研究所, 准教授 (80252493)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 走査トンネルポテンショメトリー / 表面電気伝導 / 表面電位分布 / 低温STM |
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| 研究実績の概要 |
表面の電気伝導は、原子欠陥・表面ステップといった局所構造から影響を受けるが、低温では電子のコヒーレンス長が長くなるために、電子波の局在・閉じ込め効果など、局所構造間の相関が重要となる非局所現象が顕著となることが予想される。我々は、これまで、走査トンネルポテンショメトリー（ＳＴＰ）を開発し、ナノスケールの空間分解能での電位実空間測定を通じて個々の局所構造における電気伝導特性を明らかにしてきたが、同手法により低温下での非局所な電気伝導特性を直接的に測定した例は皆無である。
今年度は低温ＳＴＭにＳＴＰ手法を導入し、その低温測定を行う上で必要となる技術・ノウハウの確立、装置の製作を試みることに成功した。STPを行うにあたり、表面上の２か所で電気的接触を取ることが必要となるが、目指している表面系の１つのSi清浄表面上に異種原子を吸着することで作成される長周期構造を持つ系に対しては、表面作成過程で１２００℃の高温熱処理があるので電気的接触をとることは容易ではない。我々は、そのような高温に耐えられてかつ不活性であるTa電極の作成技術を確立し、更に、そのTa電極を確実に固定可能で温度サイクルでもその固定が緩まない試料ホルダーを新たに開発することに成功した。また、なるべく早い時期に、我々が開発したSTP制御回路を低温STM装置に接続して、絶縁体基板上に作成した金薄膜をテスト試料として動作確認を行い、電気的なノイズの低減を進め十分な精度の電位測定が可能となるように調整を行いたい。
今後は、局所構造起因の電位分布のみならず、ナノスケールでの観察が期待される特異な量子的非局所電気伝導特性の視覚化およびその微視的スケールでの解明を目指す予定である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
遅延が発生した主な理由は、以下に述べるように、①純正の試料ホルダーに欠陥があり作り直す必要が生じたため、それに関連して②蒸着マスク・装置の設計変更・再製作が必要となったことである。
①現有の低温STM装置の純正の試料ホルダーでは、STP用の基板の取り付けが困難で、かつ、固定用のボルトが温度サイクルで緩んだり、破損しやすいという欠点が明らかになった。そこで、これらを改善するために検討を重ねた結果、試料の固定をボルトでおこなうのではなくて、ねじ棒を立ててナットで固定する方式に設計変更を行い再製作した。この試料ホルダーを用いて、液体ヘリウム温度でSTM測定を行ったところ、問題なく使用できることが確認できた。
②清浄表面での走査トンネルポテンショメトリー（ＳＴＰ）を行うには、清浄表面上の２か所で電気的接触を取ることが必要となる。電気的接触を取る方法として、Ｔａ電極と超高真空中でのマスク蒸着を組み合せた方法を導入する予定であるが、今年度は前述のように試料ホルダーを再製作したのに関連して基板サイズが変わったので、Ta電極作成の蒸着マスクや超高真空中でのマスク蒸着装置も作り直す必要がでてきた。Ta蒸着マスクはレーザー加工により再製作しTa蒸着が問題なく行えることが確認できているが、超高真空中でのマスク蒸着装置は機構がやや複雑であるので、注意深く設計を行っているところである。
STP制御用の回路は、ノイズレベルや電位フィードバックの安定性にやや問題があったので、それらを改善するために、シールドを施したり、積分回路部分の取り回しを変更するなどして改善を行いつつある。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成２８年度中に完了できなかった超高真空中でのマスク蒸着装置の設計・製作を最初に行う。そのマスクは以下に述べるようなコンセプトに基づいている。STP測定の信号強度を稼ぐには、電極間の距離を狭くして電位勾配を稼ぐ必要がある。そこで、目的の表面構造が得られた後に、Ta 電極の上から、Ag をマスク蒸着することによって、それぞれの電極を中央付近に伸ばして狭い間隔を持つ電極を作成し、電位勾配を増加させる。このためには、超高真空中のマスクが基板に対して、脱着可能でなければならない。
そして、STP装置のハード面の環境が整いしだいSi（１１１）７ｘ７表面の測定を行う。低温では基板・空間電荷層の伝導が抑えられるので、表面層だけの伝導が評価できるので、曖昧さのない測定を行えると期待される。
次に、Si（１１１）７ｘ７表面上に異種元素を吸着させて得られる２次元電子系(Si(111)-√3x√3-Ag)の測定を試みる。一般的に表面には多数のステップが存在するが、その密度（間隔）は一様ではないため、全体としての電気伝導への寄与は、単 純 に 個 々 の 和 と は な ら な い。もし、その間隔がコヒーレンス長程度の場合は、ステップ間に電子が閉じ込められ、エネルギー準位はステップ間隔に依存した離散的な振舞を見せる。その離散エネルギー準位がフェルミエネルギーに一致するかどうかで表面電気伝導が変化し、共鳴トンネルダイオード的な振舞いを示すことが期待される。
また、個々の局所構造（原子欠陥・ステップといったその本来の構造や原子吸着や原子マニピュレーションの方法を用いて作成したポテンシャル障壁・散乱体）での局所電気伝導特性だけではなく、電子のコヒーレンスが高まることによって生じると期待される量子的な非局所電気伝導特性を実空間観察により解明することを目指す方針で研究を遂行していく。
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